大型立式泵站三维检修系统开发与应用

李 频，徐晶珺，赵林章

（1.江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州225321；2.河海大学能源与电气学院，江苏 南京211100）

1 引言

随着泵站机组检修模式由过去的“计划检修”模式逐渐转变为“状态检修”模式，对机组进行全面解体检查和检修间隔周期将会进一步延长，使得很多员工根本没有机会参与现场培训。因此，迫切需要提出一种对安装检修人员进行技术指导和技能培训的全新模式。将三维动画技术、智能交互技术和虚拟现实技术引入到泵站机组的安装检修中，可创建机组安装检修的三维仿真系统，打造机组安装检修操作的全新仿真演练平台。

目前对于水力机组三维检修系统的研究方面，岳志伟等[1]结合广西沿滩水电站，基于3DS MAX、Virtools、虚拟仿真技术等平台，开发了混流式水轮发电机组检修安装系统，实现了水轮发电机组实际安装及检修的动画演示、虚拟装配和虚拟漫游的功能；李子萌等[2]开发了一套面向典型水轮发电机组检修实操的仿真培训系统，并按机组类型分类；阚阚等[3]研究了吉林丰满水电站的三维仿真与信息管理系统，不但模拟了混流式水轮发电机组检修全过程，还提供了机组检修的信息管理和查询功能；魏佳芳等[4]研究了轴流式水轮发电机组的检修仿真，完成了轴流式机组的检修安装仿真，促进了水电机组仿真工作的进步。这些研究极大地方便和简化了水电站的安装检修培训工作，但这些研究主要集中在水轮发电机组的三维检修系统，对大型立式泵站的检修及安装的仿真研究较少。因此，本文以江苏某立式泵站的机组为依托，按照安装检修现场的实际环境，构建真实感强的机组虚拟安装检修环境。根据机组标准的安装检修流程，以互动的方式实现机组零部件的安装检修，实现在计算机上对用户进行考核并给出考核结果等技能鉴定功能。

2 系统设计开发技术

2.1 面向装配任务的情境模型

虚拟装配模型通常规定了零件、组件的表示方式，以及它们之间的组织关系。装配情境模型以层次模型为基础，如图1所示。

图1 装配情境模型的层次结构及其装配过程

从图1可以看出，组件、零件和特征是逐层包含的关系，虚拟装配场景可以划分为装配知识层，装配决策层和用户控制层3个层次，并令3个装配层次分别对应特征对象、零件对象和组件对象，以使上下文信息可以分而治之地保存在各个层次中。装配知识层容纳装配操作所需的知识信息，装配知识来源于装配信息文件，是场景中所有装配活动的推理依据。装配决策层控制着装配任务的进行顺序，连通用户控制层和装配知识层，起到将特定情境与装配知识相结合并反馈到用户控制层的作用。用户控制层是用户对虚拟装配系统进行控制的接口，用户通过在虚拟场景中对组件对象进行控制完成装配任务。通过由装配知识层、装配决策层和用户控制层构成的虚拟装配模型框架，实现了装配情境模型对装配知识、零件Agent行为决策和用户交互3个重要方面的分离和抽象。装配知识层可以专注于通过定义特征对象完成装配知识的表示和保存，使装配决策层可以通过定义零件Agent的推理规则完成虚拟场景决策能力的构建，使用户控制层可以专注于对用户的控制行为进行响应和引导。通过令这3个层次分别对应于组件对象、零件对象和特征对象3个不同粒度的装配对象上，使虚拟装配系统的开发可以划分为装配知识表达，装配决策规则制定和用户行为引导等3个相对独立的方面，提高了开发效率和可维护性。

2.2 面向用户的情境模型

用户在进行虚拟装配任务的过程中，会不断改变零件的特征状态。在零件特征状态的两次改变之间，用户需要移动位置，拾取零件并调整位置进行下一步操作，因此用户情境可以定义为如下形式：

UserContext={FeatureStateSet，Eye，Center，Up}

FeatureStateSet={f1，f2…fn|n=||Features||，

fi=feautrei.state，featurei∈Features}

其中特征状态集合FeatureStateSet是由每个特征的状态属性拼接而成的状态值序列，FeatureStateSet的位数和场景中特征的个数相同。Eye、Center和Up是3个三维向量，它们共同描述了摄像机的状态，Eye表示了摄像机的位置中心点，Center表示摄像机的视线中心点，Up表示摄像机的头顶方向。通过特征状态集合，可以将用户情境与装配情境联系起来，不同的装配情境对应不同的特征状态集合，可以根据不同的任务阶段对用户的移动数据进行分段。通过Eye参数，可以形成用户摄像机在空间中的移动路径。在用户执行装配任务的过程中按照此定义格式不断记录摄像机的状态信息，可以形成用户的操作历史路径数据集，供后续的关键点提取步骤。我们认为对同一次装配训练收集到的数据点使用基于密度的聚类方法可以更有效的进行聚类，抽取出关键位置。而如果将同一装配任务的多次训练所收集到的关键位置进行融合，则可以使关键位置点变得更加有代表性。由于层次聚类方法对于预先不知道分类数量的无序样本点有良好的聚类效果，所以对于多次训练操作的关键点的融合，我们采用了层次聚类的方法来提取最终的关键位置点。

对收集到的装配操作历史数据，先利用基于密度的聚类方法从用户轨迹中找到样本点的聚集区域，之后去除相邻的重复点并找到局部极值，将这些极值点作为备选关键点。然后通过层次聚类算法对多条训练路径中的备选关键点进行聚类，最终对每个特征状态值形成一个关键点集，操作过程可以表示成如图2所示的形式。

图2 用户操作历史关键点的聚类过程

对关键点完成聚类之后，依次查看各个聚类中心的visited参数，如果该参数为零或者非常小，则表示这个关键点距离其他关键点都非常遥远，从来没有被合并过，那么就可以视为噪声进行删除。关键点提取完毕后，可以加入到虚拟装配系统中供用户进行切换，节省用户在关键点之间移动花费的时间，提高装配效率。

3 机组三维检修系统应用实例

以江苏泰兴引江河泵站为例，三维检修系统是以泵站的机组为依托，按照安装检修现场的实际环境，构建真实感强的机组虚拟安装检修环境。根据机组标准的安装检修流程，以互动的方式实现机组零部件的安装检修，实现在计算机上对用户进行考核并给出考核结果等技能鉴定功能。机组三维检修系统包括机组检修数据库，机组检修多媒体学习系统、机组检修三维模拟训练和技能鉴定系统。

3.1 机组检修数据库的建立

整个机组检修数据库由两类数据库构成：①图形数据库：主要存放机组零部件三维信息、零部件装配信息、摄像机位置信息、吊装工具信息、装配任务信息和场景树等。这些数据由机组零部件装配关系和装配任务得到，保存在图形数据库中。②动态影像库：主要存放不同种类的静态图像，如检修现场拍摄的照片、检修进度图和数字化得到的图像等；各种不同的视频图像，如检修现场拍摄的视频、三维动画文件；声音文件，如动画的解说等。

3.2 机组检修多媒体学习系统

机组检修多媒体系统提供一些多媒体课件供培训和学习之用，课件的内容主要包括：

（1）基本结构与检修：以图片、文字、视频方式介绍水力机组各零部件的结构、作用、具体参数、检修规程。以动画方式展示该零部件的安装与拆卸，如图3、图4所示。

图3 结构与检修主界面

根据水力机组安装和拆卸工艺流程，开发出水力机组安装和拆卸的三维动画，如图5。

（2）总体装配流程：以三维动画方式对水力机组主要零部件安装过程进行展示。可以设定从某个零部件开始安装，以动画方式展示从该零部件开始以后的安装流程，如图6所示。

图4 零部件结构与检修

图5 机组安装和拆卸动画

图6 总体装配流程

（3）总体拆卸流程：以三维动画方式对水轮发电机组所有零部件拆卸过程进行展示。可以设定从某个零部件开始拆卸，以动画方式展示从该零部件开始以后的拆卸流程，如图7所示。

3.3 机组检修模拟训练系统

机组检修模拟训练系统包括：

（1）虚拟装配环境的建立：建立水力机组的场景模型，这些模型包括厂房、吊车和机组各零部件模型，并对这些模型进行合理简化。建立机组各零部件模型的装配关系和特征约束。在所建立的虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，物体间很可能经常性的发生相互碰撞，此时为保持环境的真实性，需要及时检测到这些碰撞，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果，以防止物体间发生穿透现象，破坏虚拟环境的真实感和用户的沉浸感。通过交互漫游用户可以灵活、准确地对视景进行全方位观察，拾取其中的虚拟物体，查询信息。交互漫游的过程就是一个根据交互控制命令连续不断改变视点位置或视线方向并渲染视景的过程。机组虚拟环境如图8所示。

图7 总体拆卸流程

图8 机组虚拟环境

（2）人机交互装配：用户在三维场景中通过交互方式完成机组零部件的安装或拆卸，通过答题方式提高学员的检修等知识的掌握程度。将机组检修拆装的流程按任务进行划分，每一个任务对应一个安装或拆卸工序，检修工序体现在每个拆卸工序中。虚拟装配环境有临场感强、互动性高的特点，使得学员在这样的虚拟环境中实现对装配对象的选择、装配视角调整、装配零部件位置调整、视图缩放和虚拟仿真设置等功能。选取待安装的零部件、选取安装工具和安装位置界面如图9、图10、图11所示。

（3）任务调用与跟踪：规划一条无障碍的可行路径，吊车沿该路径运动。吊车各部分均要满足运动约束，沿着各自轨迹联动。对每一个任务中的每一个操作步骤都要进行跟踪，记录任务和操作步骤时序和状态，对每一个操作步骤进行对错判别。吊车运动约束见图12。

图9 选取待安装的零部件

图10 选取安装工具

图11 安装位置显示

图12 吊车运动约束

3.4 技能鉴定

技能鉴定系统包括学员机部分和教员机部分。学员通过登录学员机完成身份验证和选题答题等操作，每做完一个工序，都要进行成绩记录，当教员机通过网络发布结束指令或学员机计时结束，中断考试。教员可以通过教员机进行题目管理、试卷管理、成绩管理和学员机监控的功能。

4 小结

本文从泵站机组三维检修系统的关键技术研究展开，建立了基于情境上下文的虚拟装配模型，构建了自底向上的装配情境感知模型，建立了用户情境模型。在此基础上，设计并开发了水力机组三维检修系统，按照水力机组检修现场的实际环境，构建真实感强的虚拟环境；根据机组标准安装、拆卸和检修流程，以互动的方式对虚拟环境中的机组零部件进行装卸与检修，并对学员的操作过程进行分析，如不按照规定的装卸与检修工艺流程进行操作，计算机会提示出错信息，给出正确操作步骤，并自动记录得分。该系统进一步提升了水利机组从业人员对拆装检修知识的掌握程度，提高了检修人员的技术水平和机组检修质量，推动了水力机组安装检修技术的发展。